關(guān)于蘋果A12芯片的性能分析

在過(guò)去的幾年里，蘋果的芯片設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)一直處于架構(gòu)設(shè)計(jì)和制造工藝的前沿。蘋果A12是該公司又一次跨越代際的飛躍，因?yàn)樗?hào)稱是首款商用7nm芯片。

在談?wù)摴に嚬?jié)點(diǎn)時(shí)，一般而言，數(shù)字越小，晶體管就越小。雖然最近節(jié)點(diǎn)的名稱與實(shí)際物理尺寸之間的關(guān)聯(lián)早已失去了意義，但它仍代表密度的飛躍，因此，供應(yīng)商能夠在相同的芯片空間中封裝更多的晶體管。

感謝TechInsights公開(kāi)分享了蘋果A12芯片的圖片，我們隨后發(fā)布了裸片照片的首篇分析評(píng)論：

蘋果A12芯片裸片照片（來(lái)源：TechInsights ）

本文中，我再次回顧了A12芯片，我寫(xiě)下了我自己定義的關(guān)于裸片照片的標(biāo)簽和解釋。新的A12芯片主要遵循蘋果的SoC布局結(jié)構(gòu)（同過(guò)去大多數(shù)裸片相比旋轉(zhuǎn)了90度）。

在右側(cè)，我們看到了GPU復(fù)合體，中間是四個(gè)GPU內(nèi)核和共享的邏輯部分。CPU復(fù)合體位于底部，中間靠左側(cè)有兩個(gè)Vortex大CPU內(nèi)核，由大型L2緩存分隔開(kāi)，緊挨著4個(gè)小CPU核心和它們各自的L2緩存。

中間的4個(gè)SRAM大組塊是系統(tǒng)緩存的一部分，這是SoC范圍的緩存層，位于內(nèi)存控制器和內(nèi)部系統(tǒng)互連以及區(qū)塊內(nèi)存子系統(tǒng)之間。蘋果將這個(gè)區(qū)塊用作節(jié)能功能：由于DRAM的內(nèi)存事務(wù)在能源使用方面非常昂貴，因此在片上進(jìn)行緩存會(huì)節(jié)省很多功率，而且由于數(shù)據(jù)的局部性，性能可能會(huì)有所提升，由此會(huì)帶來(lái)額外的好處。

到目前為止，蘋果A12的系統(tǒng)緩存出現(xiàn)了自蘋果A7推出以來(lái)最大的變化。布局上的巨大變化也表明了區(qū)塊功能的巨大變化，因?yàn)楝F(xiàn)在我們清楚地看到區(qū)塊被分成明顯的4個(gè)部分。在先前的蘋果SoC中，例如A11和A10，系統(tǒng)緩存看起來(lái)更像一個(gè)邏輯區(qū)塊，看起來(lái)似乎是兩個(gè)部分。區(qū)塊中部分的加倍可能會(huì)表明這個(gè)區(qū)塊的內(nèi)存性能發(fā)生了很大的變化，在后文中，我會(huì)進(jìn)行更詳細(xì)的分析。

最后一個(gè)關(guān)于A12的重要介紹是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)加速器IP的重大改進(jìn)。蘋果聲稱已經(jīng)從A11的雙核設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變?yōu)樾碌?核設(shè)計(jì)。在演講中，很重要的一點(diǎn)是，蘋果從來(lái)沒(méi)有提到這是內(nèi)部設(shè)計(jì)，營(yíng)銷材料總是急著介紹SoC的其他IP區(qū)塊。

據(jù)傳去年的設(shè)計(jì)是CEVA IP，但是我們從未得到完全的確認(rèn)，因?yàn)樘O果不希望它被人們所知。A12是8核設(shè)計(jì)，性能提升了4倍，但實(shí)際的性能提升接近8倍，從A11的600GigaOP增加到A12的5TeraOP。在裸片照片中，我們看到8個(gè)MAC引擎圍繞著一個(gè)大型中央緩存，頂部可能有共享的邏輯部分，負(fù)責(zé)固定功能和完全連接的層處理。

縱觀從A11到A12的不同區(qū)塊大小的變化，我們看到了臺(tái)積電新7nm工藝節(jié)點(diǎn)的優(yōu)點(diǎn)。值得注意的是，幾乎所有的IP區(qū)塊都經(jīng)歷了變化，所以用A11 vs A12的比較來(lái)確定新工藝節(jié)點(diǎn)的密度提高了多少并不是有效的方法。盡管如此，我們將單個(gè)GPU核心作為可能的候選（因?yàn)槲覀兛吹降慕Y(jié)構(gòu)基本相同），觀察發(fā)現(xiàn)，與A11相比，A12尺寸減小了37%。顯而易見(jiàn)的是，新節(jié)點(diǎn)使蘋果能夠添加一個(gè)額外的GPU核心，然而在絕對(duì)值上，A12中的GPU仍然較小。

更大的CPU和大規(guī)模緩存層次結(jié)構(gòu)

來(lái)源：TechInsights的蘋果A12裸片照片，ChipRebel的蘋果A11裸片照片

接下來(lái)是CPU復(fù)合體，尤其是新的大CPU核心，我們現(xiàn)在看到的可能是蘋果幾代芯片在CPU布局上最大的變化。特別是，我們看到新的Vortex CPU中的L1數(shù)據(jù)緩存增加了一倍，從64KB增加到128KB。在前端，我們還看到了雙倍的SRAM區(qū)塊，我將其歸因于L1指令緩存，我現(xiàn)在相信它也一定翻倍到了128KB。有趣的是，即使在幾年之后的今天，我們?nèi)匀粵](méi)有真正弄清楚A10在前端區(qū)塊中引入了什么：在這里，我們看到了一個(gè)新的非常大的緩存區(qū)塊，其具體功能尚不清楚。

多年來(lái)的一個(gè)大問(wèn)題是，蘋果的緩存層次結(jié)構(gòu)到底是什么樣的。查看不同測(cè)試深度下的內(nèi)存延遲行為，我們可以看到不同測(cè)試深度下的不同跳躍。我沒(méi)有標(biāo)注延遲數(shù)值，因?yàn)樯院笪覀儗⒃诖藞D的非對(duì)數(shù)版本中再次看到它們。

在大核心方面，我們清楚地看到L1$從64KB跳躍到128KB，我認(rèn)為這里的增長(zhǎng)毫無(wú)疑問(wèn)。然而，進(jìn)入L2緩存，我們?cè)谘舆t方面看到了一些奇怪的特性。很明顯，在3MB的范圍內(nèi)，延遲增加，直到6MB左右。值得注意的是，只有在完全隨機(jī)模式下訪問(wèn)時(shí)，才會(huì)出現(xiàn)3MB左右延遲緩慢增加的特性，在較小的訪問(wèn)窗口中，延遲始終平坦，直到6MB。

我們暫時(shí)不再考慮這個(gè)問(wèn)題，轉(zhuǎn)而進(jìn)入系統(tǒng)緩存服務(wù)的6MB以上區(qū)域。一開(kāi)始很難弄清楚，因?yàn)檎w低延遲會(huì)造成偏移，但總體而言，在我們達(dá)到DRAM延遲之前，延遲曲線會(huì)進(jìn)一步增加4MB左右。這與我們?cè)诼闫蠈?shí)際看到的是一致的：新的系統(tǒng)緩存不僅使其區(qū)塊中劃分的部分加倍，而且容量也從4MB增加到8MB，翻了一倍。

我們接下來(lái)分析小核心，事情變得有點(diǎn)復(fù)雜。乍一看，你會(huì)相信A11的小核心L2被限制在512KB，而A12則高達(dá)1.5MB，然而我認(rèn)為我們正在被緩存的電源管理策略所欺騙?？纯碅11 Mistral核心延遲，我們可以看到768KB和1MB處的明顯跳躍。A12核心在2MB處也可以看到類似的跳躍。

此時(shí)，我們最好是回到裸片照片，做一些像素計(jì)算，從而得出下表：

大核心L2在A11和A12之間沒(méi)有任何結(jié)構(gòu)上的變化，二者都有128個(gè)SRAM macros instances ，分成兩個(gè)組塊。這里的問(wèn)題仍然是，如果L2確實(shí)只有6MB，那么這意味著每SRAM區(qū)塊有48KB。

在查看小核心時(shí)，我們看到它們使用相同的SRAM macros。A12的小核心L2已從16個(gè)instance增加到32個(gè)，這意味著這里一定有加倍。然而，正如我們所看到的，L2的實(shí)測(cè)延遲深度至少增加了三倍，其他的事情肯定也在發(fā)生。我們測(cè)得的數(shù)據(jù)絕不代表硬件中的內(nèi)容，實(shí)際上，我們可以通過(guò)以更特殊的方式運(yùn)行延遲測(cè)試來(lái)確認(rèn)這一點(diǎn)，這使得電源管理認(rèn)為它只是一些小的工作負(fù)載。在A12中，Tempest核心似乎只有512KB可用。

結(jié)論是，蘋果在每個(gè)bank的間隔尺度上使用了部分緩存電源關(guān)閉。在A12上，每個(gè)小核心的L2 bank是512KB，而在A11上是256KB。而且，這更讓我堅(jiān)信A12上有2MB， A11上有1MB，只是測(cè)試可能無(wú)法滿足訪問(wèn)完整緩存的策略要求。

反過(guò)來(lái)，因?yàn)檫@會(huì)確認(rèn)每個(gè)SRAM instance是64KB，我們可以回過(guò)頭來(lái)做一些關(guān)于大核心L2的假設(shè)。請(qǐng)?jiān)倏匆淮?，你?huì)認(rèn)為它停留在了6MB，但仔細(xì)看，特別是A12，在8MB時(shí)特性發(fā)生了變化。同樣，內(nèi)核可能有8MB的物理緩存，一旦我們接近完整緩存，訪問(wèn)行為就會(huì)發(fā)生明顯的變化。

這里的要點(diǎn)是，蘋果的緩存非常龐大，A12在這方面進(jìn)一步擴(kuò)展，將系統(tǒng)緩存大小加倍。在實(shí)踐中，我們?cè)诖笮虲PU內(nèi)核上有大約16MB的可用緩存層次結(jié)構(gòu)——這個(gè)龐大的數(shù)量只會(huì)讓SoC競(jìng)爭(zhēng)者的內(nèi)存和緩存子系統(tǒng)相形見(jiàn)絀。

進(jìn)化的GPU

在GPU方面，我們對(duì)A12有很大的期望，不僅在性能方面，而且在架構(gòu)方面。去年，Imagination發(fā)布了一份新聞稿，聲稱蘋果已經(jīng)通知他們，公司計(jì)劃在15至24個(gè)月內(nèi)不再在新產(chǎn)品中使用其IP。這最終導(dǎo)致股票價(jià)格暴跌，隨后公司被出售給一家股權(quán)公司。

因此，盡管蘋果聲稱A11 GPU是內(nèi)部設(shè)計(jì)，但它仍然看起來(lái)像Imagination衍生設(shè)計(jì)，因?yàn)樗膮^(qū)塊設(shè)計(jì)與之前的Rogue非常相似——最大的區(qū)別在于，現(xiàn)在所謂的核心是比先前的兩個(gè)核心更大的結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，它仍然是一個(gè)TBDR（基于圖塊的延遲渲染），IMG擁有許多專利，但一個(gè)重要的事實(shí)是，蘋果仍然非常公開(kāi)和支持PVRTC（PowerVR紋理壓縮，一種專有格式），這意味著GPU仍然可能與IMG的IP相關(guān)聯(lián)。此處，我們可能仍然會(huì)認(rèn)為是架構(gòu)許可設(shè)計(jì)，而不是我們通常所說(shuō)的“清白”設(shè)計(jì)。

來(lái)源：TechInsights的蘋果A12裸片照片，ChipRebel的蘋果A11裸片照片

我們?cè)賮?lái)看A12 GPU，模型命名為G11P，我們看到與去年的A11 GPU有一些非常明顯的相似之處。各個(gè)功能區(qū)塊似乎在很大程度上位于相同的位置，并以類似的方式構(gòu)造。

我認(rèn)為蘋果A12 GPU最大的進(jìn)步是支持內(nèi)存壓縮。在發(fā)布會(huì)上聽(tīng)到這個(gè)消息，我非常驚訝，因?yàn)檫@同時(shí)也意味著兩件事：先前的蘋果SoC和GPU顯然沒(méi)有內(nèi)存壓縮，而現(xiàn)在僅此一點(diǎn)就足以顯著提升新GPU的性能。

所謂內(nèi)存壓縮，特別是指從GPU到主內(nèi)存的透明幀緩沖區(qū)壓縮。在桌面領(lǐng)域，像英偉達(dá)和AMD這樣的廠商擁有這一功能已經(jīng)很多年了，即使在內(nèi)存帶寬沒(méi)有增加的情況下，它也能提高GPU的性能。智能手機(jī)GPU同樣需要內(nèi)存壓縮，這不僅是因?yàn)橐苿?dòng)SoC上的帶寬有限，而且最重要的是因?yàn)榕c高帶寬要求相關(guān)的功耗降低。ARM的AFBC一直是移動(dòng)領(lǐng)域最公開(kāi)談?wù)摰臋C(jī)制，但高通甚至Imagination等其他廠商都有自己的實(shí)現(xiàn)機(jī)制。

蘋果似乎很晚才通過(guò)A12引入了這一功能，但這也意味著A12將受益于效率和性能的巨大的代際提升，考慮到蘋果宣稱將大幅增加新GPU，這一舉措意義重大。

A12 Vortex CPU巡禮

在談到Vortex微架構(gòu)時(shí)，我們首先需要討論的是我們?cè)谔O果新SoC上看到的頻率。在過(guò)去幾代中，Apple一直在穩(wěn)步提高其大核心的頻率，同時(shí)也提升了微架構(gòu)的IPC。我對(duì)A12和A11的頻率特性進(jìn)行了快速測(cè)試，得出了下表：

A11和A12的最大頻率實(shí)際上是單線程boost時(shí)鐘—— A11的Monsoon核心為2380MHz，A12的新Vortex核心為2500MHz。在ST的應(yīng)用中，這只有5%的頻率提升。當(dāng)添加第二個(gè)大線程時(shí)，A11和A12時(shí)鐘分別降至2325MHz和2380MHz。當(dāng)我們同時(shí)在小內(nèi)核上運(yùn)行線程時(shí)，兩個(gè)SoC之間的情況發(fā)生了分歧：A11進(jìn)一步降至2083MHz，而A12繼續(xù)保持在2380MHz，直到達(dá)到熱極限并最終停止工作。

在小核心方面，相對(duì)于之前的Mistral，新的Tempest核心實(shí)際上更加保守。當(dāng)系統(tǒng)只在A11上運(yùn)行一個(gè)小核心時(shí)，最大頻率提升到1694MHz。這種特性現(xiàn)在在A12上消失了，最大頻率是1587MHz。當(dāng)4個(gè)小內(nèi)核滿載時(shí)，頻率進(jìn)一步降低至1538MHz。

大大改進(jìn)的內(nèi)存延遲

正如前文所述，很顯然，蘋果在A12的緩存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存子系統(tǒng)方面投入了大量工作?；氐骄€性延遲圖，我們可以看到，對(duì)于大核心和小核心的完全隨機(jī)延遲有以下特性:

與Monsoon內(nèi)核相比，Vortex內(nèi)核的頻率僅提升了5％，但絕對(duì)L2內(nèi)存延遲從11.5ns降至8.8ns，提升了29％。這意味著新的Vortex內(nèi)核的L2緩存現(xiàn)在可以在更少的周期內(nèi)完成操作。在Tempest方面，L2周期延遲似乎保持不變，但在L2分區(qū)和電源管理方面又發(fā)生了很大的變化，允許訪問(wèn)更大的物理L2組塊。

我只在小于64MB的范圍內(nèi)進(jìn)行了深度測(cè)試，很明顯，在測(cè)試數(shù)據(jù)集中，延遲曲線還沒(méi)有變平緩，但可以看出DRAM的延遲已經(jīng)有所改善。當(dāng)小內(nèi)核處于活躍狀態(tài)時(shí)，內(nèi)存控制器的DVFS頻率的最大值會(huì)提高，這可以解釋為什么Tempest內(nèi)核的DRAM訪問(wèn)存在較大的差異——當(dāng)大內(nèi)核上有大線程運(yùn)行時(shí)，它們的性能會(huì)更好。

A12的系統(tǒng)緩存在其特性上發(fā)生了巨大的變化。雖然緩存層次結(jié)構(gòu)的這一部分帶寬與A11相比有所減少，但延遲得到了很大改善。這里的一個(gè)重要影響可以歸結(jié)為L(zhǎng)2預(yù)取器，我也看到了系統(tǒng)緩存端有預(yù)取器的可能：延遲性能和流預(yù)取器的數(shù)量都提升了。

指令吞吐量和延遲

為了比較Vortex的后端特性，我們測(cè)試了指令吞吐量。后端性能由執(zhí)行單元的數(shù)量決定，延遲由設(shè)計(jì)質(zhì)量決定。

Vortex核心與先前的Monsoon（A11）看起來(lái)非常相似，除了我們貌似找到了新的除法單元，因?yàn)閳?zhí)行延遲在整數(shù)和FP方面都減少了2個(gè)周期。在FP方面，除法吞吐量翻了一番。

從核心中部和后端來(lái)看，Monsoon（A11）是一個(gè)重要的微架構(gòu)更新。正是在這里，蘋果將Hurricane（A10）的微架構(gòu)從6-wide解碼改為7-wide解碼。后端最重要的變化是添加了兩個(gè)整數(shù)ALU單元，從4個(gè)單元增加到了6個(gè)。

Monsoon（A11）和Vortex（A12）是寬度極大的機(jī)器——具有6個(gè)整數(shù)執(zhí)行流水線，其中有兩個(gè)復(fù)雜單元、兩個(gè)負(fù)載單元和存儲(chǔ)單元、兩個(gè)分支端口、三個(gè)FP/矢量流水線，這給出了估計(jì)的13個(gè)執(zhí)行端口，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)ARM即將推出的Cortex A76，也比三星的M3寬度更大。事實(shí)上，假設(shè)我們沒(méi)有看到非典型的共享端口情況，蘋果的微架構(gòu)在寬度方面似乎遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)其他任何東西，包括桌面CPU。

SPEC2006性能：達(dá)到桌面水平

我們?cè)?a href="http://ttokpm.com/tags/ios/" target="_blank">iOS設(shè)備上嘗試SPEC已經(jīng)有一段時(shí)間了——由于各種原因，在過(guò)去的幾年里我們無(wú)法繼續(xù)嘗試SPEC。我知道，很多人都希望我們能從我們離開(kāi)的地方重新開(kāi)始，我很高興告訴大家，我花了一些時(shí)間讓SPEC2006重新投入使用。

SPEC2006是一個(gè)重要的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)檢查基準(zhǔn)測(cè)試，與其他工作負(fù)載的區(qū)別在于，它所處理的數(shù)據(jù)集更大，更復(fù)雜。雖然GeekBench 4已經(jīng)成為了流行的行業(yè)基準(zhǔn)測(cè)試——我對(duì)實(shí)現(xiàn)完全跨平臺(tái)基準(zhǔn)測(cè)試的努力表示贊賞——但是我們必須考慮到，工作負(fù)載的程序大小和數(shù)據(jù)大小仍然是相對(duì)重要的。因此，SPEC2006作為基準(zhǔn)測(cè)試更好，它充分展示了給定的微架構(gòu)的更多細(xì)節(jié)，特別是在內(nèi)存子系統(tǒng)性能方面。

以下SPEC數(shù)據(jù)是估算值，因?yàn)樗鼈兾唇?jīng)SPEC提交和正式驗(yàn)證?；鶞?zhǔn)測(cè)試庫(kù)的編譯設(shè)置如下:

Android：工具鏈：NDK r16 LLVM編譯器；Flags：-Ofast, -mcpu=cortex-A53

iOS: 工具鏈：Xcode 10； Flags：-Ofast

在iOS上，429.mcf是一個(gè)問(wèn)題，因?yàn)閮?nèi)核內(nèi)存分配器通常拒絕分配程序需要的單獨(dú)的大型1.8GB組塊（即使是新的4GB iPhone）。我修改了基準(zhǔn)測(cè)試，只使用了一半的arc，從而將內(nèi)存占用減少到大約1GB。我在幾個(gè)平臺(tái)上測(cè)量了運(yùn)行時(shí)間的減少，還對(duì)iOS評(píng)分應(yīng)用了類似的比例因子，我估計(jì)評(píng)分的準(zhǔn)確率為+-5%。其余工作負(fù)載用手動(dòng)驗(yàn)證，并驗(yàn)證是否正確執(zhí)行。

性能測(cè)量是在人造環(huán)境中運(yùn)行的（即:用臺(tái)式風(fēng)扇冷卻手機(jī)），我們保證，在完成全套運(yùn)行所需的1-2小時(shí)內(nèi)，熱量不會(huì)成為問(wèn)題。

在數(shù)據(jù)展示方面，我參考了今年早期的文章，例如我們?cè)贕alaxy S9評(píng)論中對(duì)Snapdragon 845和Exynos 9810的評(píng)估。

在衡量性能和效率時(shí)，重要的是要考慮三個(gè)指標(biāo)：顯然，基準(zhǔn)測(cè)試的性能和運(yùn)行時(shí)間表示在右側(cè)軸上，從右側(cè)開(kāi)始增長(zhǎng)。數(shù)據(jù)越大，SoC/CPU的性能就越好。標(biāo)簽代表SPECspeed分?jǐn)?shù)。

在左側(cè)軸上，條形圖表示給定工作負(fù)載的能量使用情況。條越長(zhǎng)，意味著平臺(tái)使用的能量越多。條越短，代表平臺(tái)更節(jié)能，意味著使用的能量越少。標(biāo)簽代表平均功率（用瓦特表示），它是熱約束器件中考慮的重要次要指標(biāo)，以及總能量（用焦耳表示），這是主要的效率指標(biāo)。

數(shù)據(jù)按照?qǐng)D例中的順序排列，不同顏色代表不同的SoC供應(yīng)商以及不同的代際。我列出了蘋果A12、A11、Exynos 9810(2.7和2.3GHz)、Exynos 8895、Snapdragon 845和Snapdragon 835的數(shù)據(jù)。這讓我們概述了過(guò)去兩年來(lái)所有相關(guān)的CPU微架構(gòu)。

我們從SPECint2006工作負(fù)載開(kāi)始：

在大多數(shù)工作負(fù)載下，A12的時(shí)鐘頻率比A11高5%，但我們必須記住，我們無(wú)法真正鎖定iOS設(shè)備上的頻率，所以這只是基準(zhǔn)測(cè)試期間運(yùn)行時(shí)時(shí)鐘的一個(gè)假設(shè)。在SPECint2006中，A12的表現(xiàn)平均比A11好24％。

最小的增長(zhǎng)見(jiàn)于456.hmmer和464.h264ref——它們是整套測(cè)試中兩個(gè)執(zhí)行最多的瓶頸測(cè)試。由于A12在這方面似乎并沒(méi)有什么大的變化，小幅增長(zhǎng)主要?dú)w因于更高的頻率以及緩存層次結(jié)構(gòu)的改進(jìn)。

445.gobmk的改進(jìn)非常大，達(dá)到了27％——這里的工作負(fù)載特征是存儲(chǔ)地址事件中的瓶頸以及分支錯(cuò)誤預(yù)測(cè)。我確實(shí)測(cè)量到A12在處理緩存線路的存儲(chǔ)方式方面有一些重大變化，因?yàn)榉种ьA(yù)測(cè)精度沒(méi)有顯著變化。

403.gcc的一部分、429.mcf、471.omnetpp、473.Astar和483.xalancbmk對(duì)內(nèi)存子系統(tǒng)很敏感，此時(shí)A12的性能從30%提高到42%，令人震驚。很明顯，新的緩存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存子系統(tǒng)在這方面取得了很大的成效，因?yàn)樘O果實(shí)現(xiàn)了最近幾代芯片最主要的性能飛躍之一。

在衡量功率效率時(shí)，我們發(fā)現(xiàn)，總體而言A12提高了12％，但我們必須記住，我們說(shuō)的是最高性能時(shí)的能耗降低12％。A12展示出性能提高了24%，兩個(gè)SoC的性能/功耗曲線已經(jīng)大不相同。

在性能提升幅度最大的基準(zhǔn)測(cè)試中（即前面提到的內(nèi)存限制工作負(fù)載），我們看到功耗顯著上升。因此，盡管7nm工藝承諾增加功率，但蘋果選擇花費(fèi)的能量比新工藝節(jié)點(diǎn)節(jié)省的能量更多，因此SPECint2006的平均功率從A11的3.36W上升到A12的3.64W。

接下來(lái)，我們轉(zhuǎn)到SPECfp2006，探討C和C++基準(zhǔn)測(cè)試，因?yàn)槲覀冊(cè)赬Code中沒(méi)有Fortran編譯器，而且要讓它在Android上工作非常復(fù)雜，因?yàn)樗皇荖DK的一部分，NDK有一個(gè)不推薦使用的GCC版本。

SPECfp2006有更多的內(nèi)存密集型測(cè)試，在7個(gè)測(cè)試中，只有444.namd，447.dealII和453.povray在內(nèi)存子系統(tǒng)達(dá)不到標(biāo)準(zhǔn)時(shí)看不到主要的性能回歸。

當(dāng)然，這主要有利于A12，因?yàn)镾PECfp的平均增長(zhǎng)為28％。433.milc從中脫穎而出，性能提升了75％。該基準(zhǔn)測(cè)試的特點(diǎn)是指令存儲(chǔ)受限，這又一次展示了Vortex的強(qiáng)大，我看到了很大的改進(jìn)。同樣的分析適用于450.soplex，出色的緩存層次結(jié)構(gòu)和內(nèi)存存儲(chǔ)性能的組合提高了42%的性能。

470.lbm對(duì)于蘋果CPU是一個(gè)有趣的工作負(fù)載，與ARM和三星的核心相比，它展示出了多因素性能優(yōu)勢(shì)。奇怪的是，高通的Snapdragon 820 Kryo CPU的表現(xiàn)仍然優(yōu)于最近的Android SoC。470.lbm的特點(diǎn)是最熱的代碼中有很大的循環(huán)。微架構(gòu)可以通過(guò)具有（更大的）指令循環(huán)緩沖區(qū)來(lái)優(yōu)化這樣的工作負(fù)載，在循環(huán)迭代中，核心將繞過(guò)解碼階段并從緩沖區(qū)獲取指令。蘋果的微架構(gòu)似乎有某種這樣的機(jī)制。另一種解釋是蘋果內(nèi)核的矢量執(zhí)行性能——Lbm的熱循環(huán)大量使用SIMD，而蘋果的3倍執(zhí)行吞吐量?jī)?yōu)勢(shì)也可能是性能的重要貢獻(xiàn)者。

與SPECint類似，性能躍升幅度最大的SPECfp工作負(fù)載的功耗也有所增加。433.milc的功耗從2.7W提高到4.2W，性能同時(shí)提高了75%。

總體而言，功耗從3.65W躍升至4.27W。所有測(cè)試中的整體能效都有所增加，但482.sphinx3除外，其功率增加達(dá)到A12所有SPEC工作負(fù)載的最大值5.35W。在SPECfp2006中，A12的總能耗比A11低10%。

我沒(méi)有時(shí)間回去測(cè)量A10和A9的功率，但它們對(duì)于SPEC而言一般為3W左右。我運(yùn)行了性能基準(zhǔn)測(cè)試，以下是A9到A12以及最新的Android SoC的綜合性能概述，適用于正在研究比較過(guò)去幾代蘋果的人士。

總體而言，新的A12 Vortex內(nèi)核以及SoC內(nèi)存子系統(tǒng)的架構(gòu)改進(jìn)為蘋果的新芯片提供了比蘋果的營(yíng)銷材料提到的更大的性能優(yōu)勢(shì)。與最好的Android SoC相比，無(wú)論是在性能上還是在功率效率上，蘋果的優(yōu)勢(shì)都非常明顯。蘋果的SoC比最近所有的Android SoC具有更高的能效，并且有將近兩倍的性能優(yōu)勢(shì)。如果我們將能源使用正?；?，蘋果的性能效率將領(lǐng)先3倍，對(duì)此我不會(huì)感到驚訝。

這也讓我們對(duì)今年發(fā)布的三星M3核心有了一個(gè)很好的了解，只有當(dāng)總能量在可控范圍內(nèi)時(shí)，高能耗才能帶來(lái)更高的性能。在這里，Exynos 9810的能耗是去年A11的兩倍——性能赤字為55％。

與此同時(shí)，ARM的Cortex A76預(yù)定在幾周內(nèi)進(jìn)入麒麟980，作為華為Mate 20的一部分。我保證我們會(huì)為新的旗艦產(chǎn)品進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏y(cè)試，并將其添加到目前的SoC性能和效率圖表中。

令人驚訝的是，蘋果的A11和A12與目前的臺(tái)式機(jī)CPU已經(jīng)相當(dāng)接近。我還沒(méi)有機(jī)會(huì)用更具有可比性的方式運(yùn)行程序，但從我們的網(wǎng)站編輯Johan De Gelas在今年夏天早些時(shí)候提供的最新數(shù)據(jù)來(lái)看，我們看到A12在單線程性能方面優(yōu)于中等速度的Skylake CPU。當(dāng)然，我們要考慮到編譯器因素和各種頻率問(wèn)題，但我們現(xiàn)在討論的仍然是非常小的差距，直到蘋果的移動(dòng)SoC在ST性能方面優(yōu)于最快的桌面CPU。在接下來(lái)的幾個(gè)月里，在這個(gè)話題上得到更準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)將是一件有趣的事情。

系統(tǒng)性能

雖然綜合測(cè)試性能是一回事，并且希望我們能夠很好地使用SPEC，但實(shí)際使用情況下的交互性能表現(xiàn)不同，而且軟件在測(cè)試性能方面可以發(fā)揮重要作用。

我必須承認(rèn)，我們的iOS系統(tǒng)性能測(cè)試套件看起來(lái)非常糟糕：我們只剩下了web瀏覽器測(cè)試，因?yàn)閕OS缺乏有意義的替代品，比如在Android的PCMark測(cè)試工具。

Speedometer 2.0是最新的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)JavaScript基準(zhǔn)測(cè)試，可測(cè)試最常見(jiàn)和最現(xiàn)代的JS框架性能。

A12與A11相比性能大幅躍升了31%，再次指出蘋果廣告中的性能數(shù)據(jù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于新款芯片。

我們還看到iOS 12在上一代設(shè)備上的小幅提升。這不僅得益于iOS調(diào)度器處理負(fù)載的方式發(fā)生了變化，還得益于蘋果使用的每個(gè)不斷發(fā)展的JS引擎的進(jìn)一步改進(jìn)。

WebXPRT 3也是一種瀏覽器測(cè)試，但是它的工作負(fù)載更加廣泛和多樣化，包含了大量的處理測(cè)試。在這里，iPhone XS比iPhone X顯示出11％的優(yōu)勢(shì)，比Speedometer 2.0測(cè)試的優(yōu)勢(shì)稍小。

此前的設(shè)備也看到了穩(wěn)定的性能提升，iPhone X的得分從134分上升到147分，即10%。與iPhone 7的A10相比有33％的大幅提升，我們稍后會(huì)詳細(xì)介紹。

iOS12調(diào)度器加載斜坡分析

蘋果公司承諾iOS12系統(tǒng)將會(huì)有顯著的性能提升，這要?dú)w功于他們的新調(diào)度器計(jì)算單個(gè)任務(wù)負(fù)載的方式。操作系統(tǒng)的內(nèi)核調(diào)度器跟蹤線程的執(zhí)行時(shí)間，并將其聚合為一個(gè)利用率指標(biāo)，然后由DVFS機(jī)制等使用。決定這種負(fù)載如何隨時(shí)間變化的算法通常是一個(gè)簡(jiǎn)單的軟件決策——它可以根據(jù)供應(yīng)商認(rèn)為合適的方式進(jìn)行調(diào)整和設(shè)計(jì)。

因?yàn)閕OS的內(nèi)核是閉源的，所以我們無(wú)法真正看到變化是什么，但我們可以測(cè)量它們的效果。一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的方法是跟蹤工作負(fù)載中從空閑到最高性能的頻率。在iOS12系統(tǒng)升級(jí)前后，我在iphone 6到X（和XS）上進(jìn)行了這個(gè)測(cè)試。

我們從帶有A8芯片組的iPhone 6開(kāi)始，我在iOS11上得到了一些奇怪的結(jié)果，因?yàn)閺目臻e到最高性能的上升特性非常不尋常。我重復(fù)了幾次，但結(jié)果還是一樣。A8的CPU在空閑時(shí)為400MHz，并在此停留了110ms，直到它躍至600MHz，然后又停留了10ms，進(jìn)入最高性能時(shí)的1400MHz。

iOS12系統(tǒng)展示了一種更階梯式的特性，更早的時(shí)候就開(kāi)始上升，并在90ms后達(dá)到最高性能。

iPhone 6S在iOS11上有明顯不同的上升特性，而A9芯片的DVFS非常慢。在這里，CPU總共需要435ms才能達(dá)到其最大頻率。隨著iOS12的更新，這個(gè)時(shí)間大幅縮減到80ms，大大提高了在更短的交互工作負(fù)載下的性能。

我很驚訝地看到調(diào)度器以前的速度之慢，這正是目前三星Exynos芯片組以及其他不優(yōu)化調(diào)度器的Android SoC的問(wèn)題。雖然硬件性能可能存在，但它并沒(méi)有在短時(shí)間交互工作負(fù)載中表現(xiàn)出來(lái)，因?yàn)檎{(diào)度器負(fù)載跟蹤算法太慢了。

A10與A9有類似的缺點(diǎn)，達(dá)到最高性能的時(shí)間超過(guò)400ms。在iOS12系統(tǒng)中，iPhone 7將這個(gè)速度減半，約為210ms。與A9相比，A10在這方面更為保守，這很奇怪，但這可能與小核心有關(guān)。

在這張圖中，我們還可以看到小核心Zephyr的頻率，它們從400MHz開(kāi)始，在1100MHz達(dá)到峰值。圖中的頻率回落到758MHz，因?yàn)榇藭r(shí)有一個(gè)核心切換到大核心，然后它們的頻率繼續(xù)上升，直到達(dá)到最高性能。

在蘋果A11上，我沒(méi)有看到任何重大變化，實(shí)際上任何差異都可能是測(cè)量不同固件之間的隨機(jī)噪聲。在iOS11和iOS12中，A11在大約105ms內(nèi)上升到全頻。請(qǐng)注意，此圖中的x軸比之前的圖短很多。

最后，在iPhone XS的A12芯片組上，我們無(wú)法測(cè)量任何預(yù)更新和更新后的特性，因?yàn)閕Phone XS自帶了iOS12。此時(shí)，我們?cè)俅慰吹剿?08ms后達(dá)到了最高性能，我們看到了從Tempest核心轉(zhuǎn)向Vortex核心的趨勢(shì)。

總之，我希望這是iOS12給舊設(shè)備帶來(lái)的性能差異的最好和清晰的展示。

就iPhone XS而言，我對(duì)它的性能沒(méi)有任何質(zhì)疑，它的速度很快。我不得不承認(rèn)我仍然是Android用戶，并且我的手機(jī)完全關(guān)閉動(dòng)畫(huà)，因?yàn)槲野l(fā)現(xiàn)這會(huì)阻礙設(shè)備的速度。iOS無(wú)法完全關(guān)閉動(dòng)畫(huà)，雖然這只是我的主觀個(gè)人觀點(diǎn)，但我發(fā)現(xiàn)它們嚴(yán)重妨礙了手機(jī)的真實(shí)性能。在非交互式工作負(fù)載中，iPhone XS只是在沒(méi)有任何問(wèn)題或異常的情況下完成了測(cè)試。

GPU性能

A12的GPU的性能提升是演講的最大亮點(diǎn)之一，與A11的GPU相比，性能提升了50％。蘋果通過(guò)“簡(jiǎn)單地”在A11的三個(gè)GPU上添加第四個(gè)GPU核心，以及在GPU上引入內(nèi)存壓縮實(shí)現(xiàn)了這一目標(biāo)。我認(rèn)為，內(nèi)存壓縮是最有助于提高GPU的微架構(gòu)性能的因素，因?yàn)樗鼘?shí)際上是巨大的一次性轉(zhuǎn)變，無(wú)可否認(rèn)，蘋果花了很長(zhǎng)時(shí)間才完成。

在進(jìn)入基準(zhǔn)測(cè)試之前，我想提一點(diǎn)，最新的蘋果 GPU的峰值性能和峰值功耗是一個(gè)問(wèn)題。我們已經(jīng)看到，蘋果從一段時(shí)間內(nèi)的持續(xù)性能提升轉(zhuǎn)變?yōu)閺腟oC的峰值性能下降到實(shí)際性能下降的最糟糕的“罪犯”之一。這是有原因的，但我很快就會(huì)講到。

3DMark物理測(cè)試主要是一個(gè)CPU限制測(cè)試，它也強(qiáng)調(diào)整體平臺(tái)功率限制，而GPU也正在工作。我們看到，iPhone XS和A12相比于去年的iPhone取得了很大的進(jìn)步。這是一個(gè)在過(guò)去對(duì)蘋果CPU而言特別有問(wèn)題的測(cè)試，然而這個(gè)微架構(gòu)的小問(wèn)題似乎在A11和Monsoon核心中得到了解決。Vortex核心以及總是在提高的SoC功率效率進(jìn)一步提高了性能，最終在這項(xiàng)特定測(cè)試中匹配了ARM的核心。

在3DMark測(cè)試的圖形部分，iPhone XS的持續(xù)性能比去年的iPhone X提高了41％。在這個(gè)特殊的測(cè)試中，OnePlus 6更慷慨大方的熱敏元件仍然讓Snapdragon 845比新芯片表現(xiàn)更好。

在峰值性能方面，我在3DMark中遇到了一些大問(wèn)題：我完全無(wú)法在iPhone XS或XS Max保持涼爽的情況下完成一次運(yùn)行。如果設(shè)備足夠涼爽，GPU會(huì)提高到非常高的性能，甚至?xí)罎?。我一直可以一遍遍地重現(xiàn)這一現(xiàn)象。我嘗試在測(cè)試中測(cè)量功率，平臺(tái)的瞬時(shí)平均功率為7-8瓦。對(duì)于高于8的數(shù)值，我懷疑這種測(cè)量方法沒(méi)能記錄下來(lái)。GPU崩潰意味著在運(yùn)行過(guò)程中，電源輸出無(wú)法提供必要的瞬態(tài)電流，我們將看到電壓下降，引起GPU崩潰。

在幾次嘗試中多次重復(fù)測(cè)試時(shí)，我加熱SoC，直到它決定以較低的GPU頻率啟動(dòng)，這便可以成功完成測(cè)試。

GFXBench測(cè)試

Kishonti最近發(fā)布了新的GFXBench 5 Aztec Ruins測(cè)試，它為我們的測(cè)試套件帶來(lái)了更新、更現(xiàn)代、更復(fù)雜的工作負(fù)載。在理想的情況下，我們將測(cè)試真正的游戲，但這在移動(dòng)設(shè)備上令人難以置信，因?yàn)榛旧蠜](méi)有哪款游戲內(nèi)置基準(zhǔn)測(cè)試模式。有一些工具可以收集fps值，但這里最大的問(wèn)題是手動(dòng)玩游戲時(shí)工作負(fù)載的可重復(fù)性，這也是當(dāng)今許多在線游戲的一個(gè)大問(wèn)題。

我仍然認(rèn)為，人造基準(zhǔn)測(cè)試在這里有一個(gè)非常穩(wěn)固的位置，只要你理解基準(zhǔn)測(cè)試的特性。Kishonti的GFXBench多年來(lái)一直是行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，而新的Aztec測(cè)試給了我們不同的工作量。新的測(cè)試著色更濃，利用更復(fù)雜的效果來(lái)強(qiáng)調(diào)GPU的運(yùn)算能力。盡管上表中的數(shù)據(jù)是在Mali G72 GPU上收集的，但它仍能夠提供對(duì)其他架構(gòu)的總體預(yù)期。新的測(cè)試由于其更大的紋理，因此也非常需要帶寬。

一般而言，游戲與基準(zhǔn)測(cè)試的關(guān)聯(lián)具體取決于各種圖形工作負(fù)載的百分比、是否有較大的填充或粗重的紋理、是否具有復(fù)雜的幾何形狀、或僅僅是著色效果越來(lái)越復(fù)雜，這就需要GPU的運(yùn)算能力。

普通模式的Aztec Ruins是一項(xiàng)要求不高的新測(cè)試，新的蘋果A12手機(jī)展示出了極高的峰值性能，比去年的iPhone高出51%。

在持續(xù)表現(xiàn)方面，數(shù)字在幾分鐘后迅速下降，并在隨后進(jìn)一步穩(wěn)定下來(lái)。此時(shí)，iPhone XS的性能比iPhone X高出61%。蘋果A12也能夠在持續(xù)表現(xiàn)上以45%的優(yōu)勢(shì)擊敗目前的領(lǐng)導(dǎo)者OnePlus 6中的Snapdragon 845。

在Aztec Ruins的高級(jí)模式中，我們看到了一個(gè)驚人相似的性能排名。iPhone XS的峰值性能又一次非常出色，但重要的是持續(xù)的分?jǐn)?shù)。此時(shí)，iPhone XS性能比iPhone X高61％。OnePlus 6的Snapdragon 845的性能差值在這里降低到31%，比普通模式略低一點(diǎn)，我們可能在微架構(gòu)的某些方面遇到一些瓶頸。

GPU功率

蘋果設(shè)備的平臺(tái)和GPU功能一直是我想要發(fā)布的東西，但實(shí)現(xiàn)起來(lái)很復(fù)雜。我得到了新iPhone XS的合理數(shù)據(jù)，但是舊的SoC數(shù)據(jù)仍然需要等待機(jī)會(huì)。

我沒(méi)有時(shí)間在各種設(shè)備上測(cè)試Aztec Ruins，所以我們?nèi)匀灰蕾囉跇?biāo)準(zhǔn)的Manhattan 3.1和T-Rex。首先，我們先列出測(cè)試結(jié)果：

同樣，在Manhattan 3.1中，新款iPhone XS的性能比iPhone X高出75％。這里的改進(jìn)不僅僅是因?yàn)镚PU的微架構(gòu)的改進(jìn)、擁有一個(gè)額外的核心，以及SoC新工藝節(jié)點(diǎn)，還因?yàn)樾碌膬?nèi)存壓縮減少了外部DRAM的能耗，它在帶寬繁重的3D工作負(fù)載中可占系統(tǒng)功耗的20-30％。DRAM上的功率節(jié)省意味著GPU和SoC可以使用更多的能量，從而提高了性能。

這里的功率數(shù)字是系統(tǒng)的有效功率，表示總設(shè)備功率減去給定工作負(fù)載情況下的空閑功率（其中包括屏幕功率）。

在峰值性能下，當(dāng)設(shè)備在22°C環(huán)境溫度下冷卻時(shí)，蘋果A12的GPU會(huì)非常耗電，功率達(dá)到6W。這并不是GPU的平均峰值，因?yàn)槲蚁惹疤岬竭^(guò)3DMark達(dá)到7.5W左右（在崩潰之前）。

即使在這個(gè)高功率數(shù)字下，A12的效率也超過(guò)了其他所有SoC。雖然這頗為有趣，但強(qiáng)調(diào)蘋果的節(jié)流特性是非常重要的。在僅僅3分鐘或3個(gè)基準(zhǔn)測(cè)試運(yùn)行后，手機(jī)將節(jié)流約25％，達(dá)到我在效率表中所說(shuō)的“溫暖”狀態(tài)。功率達(dá)到合理的3.79W。值得注意的是，電源效率并沒(méi)有大幅提高，只是比峰值提高了16%。這意味著該平臺(tái)的功率曲線相對(duì)較低，并且性能受到熱量的限制。

接下來(lái)看T-Rex，iPhone XS再次展示了61％的持續(xù)性能提升。

我們看到，T-Rex的功耗與Manhattan的功耗一致，低溫設(shè)備的峰值功率達(dá)到6W多一點(diǎn)。在運(yùn)行3次之后，峰值功率再次降低到4W以下，性能下降了28%。這里的效率并沒(méi)有太大的提高，再次表明功率曲線相對(duì)較低。

需要注意的是，“溫暖”運(yùn)行的功率度量并不代表持續(xù)的性能，我只是想在峰值數(shù)據(jù)旁邊添加一個(gè)額外的數(shù)據(jù)點(diǎn)。大多數(shù)設(shè)備的持續(xù)功率在3-3.5W范圍內(nèi)。

為什么蘋果公司在峰值性能和持續(xù)性能之間存在如此巨大的差異？先前，iPhone 6和A8發(fā)布的時(shí)候，持續(xù)性能便是蘋果的主要關(guān)注點(diǎn)之一。這種變化是由于日常GPU用例發(fā)生了變化，以及蘋果如何將GPU用于與3D無(wú)關(guān)的工作負(fù)載。

Apple大量使用GPU計(jì)算，用于各種用途，例如app中的一般硬件加速、使用GPU計(jì)算進(jìn)行相機(jī)圖像處理。在這些用例中，持續(xù)的性能并不重要，因?yàn)樗鼈兪鞘聞?wù)性工作負(fù)載，這意味著需要盡快處理的固定工作負(fù)載。

在過(guò)去的幾年里，Android GPU計(jì)算一直是一場(chǎng)徹頭徹尾的災(zāi)難，我主要是聲討谷歌沒(méi)有在AOSP中支持OpenCL，這使得供應(yīng)商對(duì)OpenCL的支持非常零散。RenderScript從未獲得太多的關(guān)注，因?yàn)樗荒鼙ＷC性能。Android設(shè)備和SoC的碎片化意味著在第三方app中基本不存在GPU計(jì)算（如有錯(cuò)誤，敬請(qǐng)指正?。?/p>

蘋果對(duì)API棧的垂直集成和嚴(yán)格控制意味著GPU計(jì)算成為了現(xiàn)實(shí)，而事務(wù)性GPU峰值性能是值得考慮的指標(biāo)。

現(xiàn)在，雖然這確實(shí)解釋了節(jié)流的原因，但我仍然認(rèn)為蘋果可以做一些熱優(yōu)化。我在iPhone XS上玩了Fortnite游戲，手機(jī)的發(fā)熱讓我不是很喜歡。此時(shí)，必須有某種方式來(lái)讓具有持續(xù)性能特征的游戲和app切實(shí)從GPU開(kāi)始限制這種持續(xù)的性能狀態(tài)。

除了熱性能和峰值性能的考慮因素以外，iPhone XS和XS Max由于新的A12 SoC，展示出業(yè)界領(lǐng)先的性能和效率，并且目前是最好的手機(jī)游戲平臺(tái)。